Die antarktischen Eisschilde sind die größten Eisflächen der Erde, sie umfassen etwa 14 Millionen Quadratkilometer und halten etwa 60 Prozent des Süßwassers des Planeten. Wenn der gesamte Eisschild schmelzen würde, würde der globale Meeresspiegel um etwa 58 Meter ansteigen. Diese Eisschilde sind nicht statisch; sie sind dynamische Systeme, die auf Temperaturänderungen, Meeresströmungen und atmosphärische Bedingungen reagieren. Ihr Verhalten zu verstehen ist wichtig, um den zukünftigen Anstieg des Meeresspiegels vorherzusagen und die Stabilität des globalen Klimasystems zu bewerten. Dieser Artikel untersucht die Struktur, Dynamik und globale Bedeutung der antarktischen Eisschilde, mit einem Fokus auf die Faktoren, die ihre Stabilität beeinflussen und die Forschungsbemühungen zur Überwachung ihrer Veränderungen.

Überblick über die antarktischen Eisschilde

Die antarktischen Eisschilde bestehen aus zwei Hauptkomponenten: dem ostantarktischen Eisschild (EAIS) und dem westantarktischen Eisschild (WAIS). Diese beiden Eisschilde sind durch die Transantarktischen Berge getrennt, ein Gebirge, das den Kontinent überspannt. Der EAIS ist der größere der beiden, umfasst etwa 10 Millionen Quadratkilometer und enthält etwa 53 Meter Meeresspiegeläquivalent. Der WAIS ist kleiner, aber anfälliger für den Klimawandel und enthält etwa 3,3 Meter Meeresspiegeläquivalent. Zusammen bilden diese Eisschilde ein riesiges Reservoir an gefrorenem Wasser, das sich über Millionen von Jahren angesammelt hat.

Ostantarktisches Eisschild

Der EAIS ist ein Hochebenen-Eisschild, der auf einem kontinentalen Kraton sitzt, wodurch er im Vergleich zu seinem westlichen Gegenstück relativ stabil ist. Die Eisoberfläche steigt in einigen Gebieten auf über 4.000 Meter über dem Meeresspiegel an und die Eisdicke kann in den tiefsten Teilen 4800 Meter übersteigen. Der EAIS zeichnet sich durch langsame Eisströmung und ein kaltes, trockenes Klima aus. Die Schneeakkumulationsraten sind gering und der Eisschild befindet sich in nahezu Gleichgewicht mit dem aktuellen Klima. Neuere Studien deuten jedoch darauf hin, dass Teile des EAIS, insbesondere das Aurora-Subglazialbecken und die Totten-Gletscherregion, Anzeichen einer Ausdünnung und eines erhöhten Eisverlustes zeigen. Während der EAIS traditionell als "stabiler" Eisschild gilt, deuten neue Hinweise darauf hin, dass er empfindlicher auf warmes Meerwasser reagieren kann als bisher angenommen.

Westantarktisches Eisschild

Der WAIS ist ein Meereseisschild, was bedeutet, dass große Teile seiner Erdungslinie unter dem Meeresspiegel liegen. Das macht ihn von Natur aus instabil, weil warmes Ozeanwasser die Eisschelfe unterbieten und einen schnellen Rückzug verursachen kann. Der WAIS ruht auf einem Bett, das landeinwärts abfällt, eine Konfiguration, die zu einer Instabilität des Meereseisschilds führen kann. Wenn sich die Erdungslinie zurückzieht, setzt er dickeres Eis dem Ozean aus, was die Rückzugsgeschwindigkeit beschleunigt. Der WAIS wird von mehreren großen Eisströmen abgelassen, darunter dem Pine Island Gletscher und dem Thwaites Gletscher, die zu den sich am schnellsten verändernden Gletschern der Antarktis gehören. Diese Gletscher haben in den letzten Jahrzehnten eine erhebliche Ausdünnung und Beschleunigung erfahren, was wesentlich zum globalen Meeresspiegelanstieg beiträgt.

Bildung und Struktur der Eisschilde

Die Eisschilde der Antarktis begannen sich vor etwa 34 Millionen Jahren während des Übergangs zwischen dem Eozän und dem Oligozän zu bilden. Die Öffnung der Drake-Passage und die Entwicklung des antarktischen Zirkumpolarstroms isolierten den Kontinent von wärmeren Ozeangewässern, so dass sich Eis ansammeln konnte. Über Millionen von Jahren verdichtete sich Schnee zu Tannen und dann zu Eis, wodurch Schichten entstanden, die die Klimageschichte der Erde aufzeichnen. Die Eisschilde werden von einer komplexen subglazialen Landschaft unterlegt, die Bergketten, Täler und subglaziale Seen umfasst. Der größte dieser Seen ist der Vostok-See, der unter etwa 4 Kilometern Eis liegt und seit Millionen von Jahren von der Atmosphäre isoliert ist.

Die innere Struktur der Eisschilde ist durch Eisschichten mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften gekennzeichnet. Die oberen Schichten bestehen aus Tannen geringer Dichte, während tiefere Schichten aus dichtem, klarem Eis bestehen. Das Eis verformt sich unter seinem eigenen Gewicht und fließt vom Inneren zur Küste. Die Eisflussgeschwindigkeiten variieren von weniger als 10 Metern pro Jahr im Inneren bis zu über 1.000 Metern pro Jahr in den schnelllebigen Eisströmen und Austrittsgletschern. Das Eis wird entweder als Eisberge oder durch Schmelzen am Boden von Eisschelfen in den Ozean abgegeben.

Eisregale: Die schwimmende Erweiterung

Eisschelfe sind die schwimmenden Erweiterungen der Eisschilde, die dort vorkommen, wo das Eis vom Kontinent und über den Ozean fließt. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Stabilisierung des Eisschildes, indem sie Rückenspannungen erzeugen, die den Fluss des Binneneises zurückhalten. Die größten Eisschelfe der Antarktis sind das Ross-Eisschelf und das Filchner-Ronne-Eisschelf, die jeweils ein Gebiet abdecken, das größer ist als Frankreich. Eisschelfe verlieren Masse durch Kalben und Basalschmelzen. Calving produziert Eisberge, von denen einige massive tabellarische Eisberge sind, die jahrelang bestehen bleiben können. Basalschmelzen tritt auf, wenn warmes Ozeanwasser unter dem Eisschelf zirkuliert und die Unterseite schmilzt. Dieser Prozess ist ein wichtiger Treiber für die Ausdünnung des Eisschelfs und kann zu einem Zusammenbruch des Eisschelfs führen, wie man es 2002 beim Larsen-B-Eisschelf sehen konnte.

Globale Auswirkungen des Schmelzens von Eis

Das Abschmelzen der antarktischen Eisschilde hat weitreichende Folgen für das globale Klimasystem und die menschliche Gesellschaft. Die direkteste Auswirkung ist der Meeresspiegelanstieg. Die antarktischen Eisschilde enthalten genug Wasser, um den globalen Meeresspiegel um etwa 58 Meter zu erhöhen. Selbst ein kleiner Bruchteil dieses Eisverlustes hätte erhebliche Auswirkungen auf die Küstengemeinden weltweit. In den letzten Jahrzehnten hat sich die Rate des Eisverlustes aus der Antarktis beschleunigt. Nach NASA verlor der Kontinent zwischen 2002 und 2017 durchschnittlich 118 Milliarden Tonnen Eis pro Jahr, hauptsächlich aus der Westantarktis. Neuere Schätzungen deuten darauf hin, dass die Rate des Eisverlustes auf etwa 200 Milliarden Tonnen pro Jahr gestiegen ist.

Über den Meeresspiegelanstieg hinaus beeinflusst das Schmelzen des antarktischen Eises die Ozeanzirkulation und die Klimamuster. Der Süßwassereintrag aus dem schmelzenden Eis kann die Bildung des antarktischen Grundwassers stören, einer dichten, kalten Wassermasse, die die globale Ozeanzirkulation antreibt. Veränderungen in der Ozeanzirkulation können den Wärmetransport, Niederschlagsmuster und die Verteilung der marinen Nährstoffe verändern. Darüber hinaus setzt der Eisverlust aus der Antarktis dunklere Ozeangewässer frei, die mehr Sonnenstrahlung absorbieren und die Erwärmung durch eine positive Rückkopplungsschleife verstärken, die als Eis-Albedo-Rückkopplung bekannt ist.

Steigende Meeresspiegel

Der Anstieg des Meeresspiegels ist vielleicht die am besten dokumentierte Auswirkung der Eisschildschmelze. Weltweit ist der Meeresspiegel seit Beginn des 20. Jahrhunderts um etwa 20 Zentimeter gestiegen, und die Anstiegsrate beschleunigt sich. Der Beitrag der Antarktis zu diesem Anstieg ist von etwa 5 Prozent in den 1990er Jahren auf heute über 20 Prozent gestiegen. Wenn sich die aktuellen Trends fortsetzen, könnte die Antarktis bis zum Ende des Jahrhunderts der dominierende Beitrag zum Anstieg des Meeresspiegels werden. Das IPCC prognostiziert, dass der globale Meeresspiegel um 0,6 bis 1,1 Meter steigen könnte unter Hochemissionsszenarien, mit einem größeren Beitrag der Antarktis, wenn sich die Instabilität der Eisschilde beschleunigt.

Die Küstengemeinden sind bereits heute mit den Auswirkungen des Meeresspiegelanstiegs konfrontiert, und zwar in Form von zunehmenden Überschwemmungen, Erosionen und Salzwassereinbrüchen. Tief gelegene Inselstaaten und Delta-Regionen sind besonders gefährdet. Großstädte wie New York, Shanghai und Mumbai könnten vor großen Herausforderungen stehen, wenn der Meeresspiegel weiter ansteigt.

Auswirkungen auf die Ozeanzirkulation

Die Bildung des antarktischen Grundwassers findet in einigen Schlüsselregionen der Antarktis statt, einschließlich des Weddell- und Ross-Meeres. Dieser Prozess beinhaltet das Abkühlen und Sinken von Oberflächengewässern, die sich dann entlang des Meeresbodens nach Norden ausbreiten. Der Süßwassereintrag aus schmelzendem Eis reduziert den Salzgehalt und die Dichte des Oberflächenwassers, wodurch der Sinkenprozess gehemmt wird. Beobachtungen haben gezeigt, dass sich das antarktische Grundwasser in den letzten Jahrzehnten erfrischt und erwärmt hat, was darauf hindeutet, dass sich die Bildung verlangsamen kann. Veränderungen der Grundwasserbildung können sich auf die globale Umwälzungszirkulation auswirken, die eine Schlüsselrolle bei der Verteilung von Wärme und Kohlenstoff um den Planeten spielt. Eine Verlangsamung dieser Zirkulation könnte Klimamuster verändern, einschließlich der Intensität des Monsuns und der Position von Sturmbahnen.

Faktoren, die die Stabilität des Eisschilds beeinflussen

Die Stabilität der antarktischen Eisschilde wird durch eine komplexe Reihe von Faktoren beeinflusst, die auf verschiedenen Zeitskalen funktionieren. Dazu gehören die atmosphärische Temperatur, die Meerestemperatur, die Stütze des Eisschelfs, die subglaziale Hydrologie und die interne Eisdynamik. Um das zukünftige Verhalten der Eisschilde vorherzusagen, ist es wichtig zu verstehen, wie diese Faktoren interagieren.

Atmosphärische Erwärmung

Steigende atmosphärische Temperaturen beeinflussen die Eisschilde hauptsächlich durch zunehmende Oberflächenschmelze. Während Oberflächenschmelzen auf der antarktischen Halbinsel häufiger vorkommt, kann es auch in anderen Küstenregionen vorkommen. Schmelzwasser kann in die Tannenschicht eindringen und wieder einfrieren, oder es kann in den Ozean abfließen. In einigen Fällen kann Schmelzwasser durch Spalten bis zum Eisgrund abfließen, wo es das Bett schmieren und den Eisfluss beschleunigen kann. Die antarktische Halbinsel hat einige der schnellsten Erwärmungen auf der Erde erlebt, mit Temperaturen, die seit den 1950er Jahren um etwa 3 Grad Celsius angestiegen sind. Diese Erwärmung hat zum Zusammenbruch mehrerer Eisschelfs geführt, darunter Larsen A und Larsen B.

Ozeanerwärmung

Warmes Meerwasser ist ein Haupttreiber des Eisverlustes aus der Westantarktis. Das Zirkumpolare Tiefwasser, eine relativ warme Wassermasse, fließt auf den Festlandsockel und in die Hohlräume unter den Eisschelfen. Dieses Wasser schmilzt das Eis von unten, verdünnt die Eisschelfe und verringert ihre Fähigkeit, den Fluss des Binneneises zu stützen. Die Erdungslinie, wo der Eisschild den Kontakt zum Bett verliert und zu schwimmen beginnt, zieht sich zurück, wenn das Eisschelf sich verdünnt. In der Westantarktis sind der Pine Island Gletscher und der Thwaites Gletscher besonders anfällig, weil sie auf einem retrograden Betthang sitzen, was bedeutet, dass das Bett landeinwärts vertieft wird. Diese Konfiguration kann zu einem außer Kontrolle geratenen Rückzug führen, wenn die Erdungslinie eine kritische Schwelle überschreitet. Wissenschaftler haben den Begriff "Meereseisschildinstabilität" geprägt, um diesen Prozess zu beschreiben.

Eisschelfabstützung

Eisschelfs wirken als Stützpfeiler, die den Fluss von Binneneis zurückhalten. Wenn ein Eisschelf vorhanden ist, gibt es eine Rückenbelastung, die die Eisströme verlangsamt, die in es einspeisen. Wenn das Eisschelf sich verdünnt oder zusammenbricht, wird dieser Stützpfeilereffekt verringert und das Binneneis beschleunigt sich. Der Verlust des Larsen B-Schelfes im Jahr 2002 führte zu einer 3- bis 8-fachen Zunahme des Flusses der Gletscher, die es speisten. In ähnlicher Weise hat die Ausdünnung der Eisschelfs von Pine Island und Thwaites zu einem Rückzug der Erdungslinien geführt. Die Stabilität der Eisschelfs hängt von ihrer Dicke, dem Vorhandensein von Eisanstiegen und -ansteckpunkten und der Temperatur des Ozeanwassers darunter ab.

Subglaziale Hydrologie und Bettbedingungen

Die Bedingungen an der Basis des Eisschildes spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Eisflussgeschwindigkeiten. Wenn das Bett warm und nass ist, kann das Eis leichter rutschen, was zu einer schnelleren Strömung führt. Subglaziale Seen, wie sie im Whillans-Eisstromsystem vorkommen, können periodisch abfließen und Impulse schneller Eisbewegung verursachen. Die Verteilung des subglazialen Wassers wird durch die Topographie des Bettes und den geothermischen Wärmefluss gesteuert. In einigen Regionen kann ein hoher geothermischer Wärmefluss das Bett warm halten, selbst wenn die Oberfläche kalt ist. Das Verständnis der subglazialen Umgebung ist schwierig, weil direkte Beobachtungen begrenzt sind, aber seismische Untersuchungen, Radarmessungen und Satellitendaten liefern neue Erkenntnisse.

Wichtige Regionen

Während der gesamte antarktische Eisschild von wissenschaftlichem Interesse ist, haben bestimmte Regionen wegen ihrer schnellen Veränderungen und ihres Potenzials für große Beiträge zum Meeresspiegelanstieg besondere Aufmerksamkeit erregt. Der Amundsen-Meer-Sektor der Westantarktis, zu dem auch die Pinien- und Thwaites-Gletscher gehören, wird oft als "schwacher Unterbauch" des Eisschilds bezeichnet. Diese Gletscher gehören zu den am schnellsten fließenden in der Antarktis und haben einige der höchsten Eisverlustraten. Der Thwaites-Gletscher wurde insbesondere wegen seines Potenzials, den Meeresspiegel um etwa 0,6 Meter zu erhöhen, wenn er vollständig zusammenbricht, und möglicherweise noch mehr, wenn er den Zusammenbruch der benachbarten Gletscher auslöst.

In der Ostantarktis ist der Totten-Gletscher ein Hauptanliegen. Dieser Gletscher entwässert einen Teil des Aurora-Subglazialbeckens, das schätzungsweise 3,5 Meter Meeresspiegeläquivalent enthält. Der Totten-Gletscher ist anfällig für warmes Ozeanwasser, das durch einen tiefen Trog zur Erdungslinie gelangt. Beobachtungen haben gezeigt, dass der Gletscher ausgedünnt ist und seine Erdungslinie in den letzten Jahren zurückgegangen ist. Weitere interessante Regionen sind das Getz-Eisschelf, das Ross-Eisschelf und das Filchner-Ronne-Eisschelf, von denen jede eine einzigartige Rolle für die Stabilität der Eisschilde spielt.

Monitoring und Forschungsanstrengungen

Die Überwachung der antarktischen Eisschilde ist ein gewaltiges Unterfangen, das eine Kombination aus Satellitenfernerkundung, Feldbeobachtungen und numerischer Modellierung erfordert. Ziel ist es, Veränderungen der Eisschildmasse, der Eisflussgeschwindigkeit, der Erdungslinienposition und der Eisschelfdicke zu verfolgen. Diese Informationen werden verwendet, um Vorhersagen des zukünftigen Meeresspiegelanstiegs zu verbessern und die Prozesse zu verstehen, die den Eisverlust verursachen.

Satellitenmissionen

Satelliten sind das primäre Werkzeug zur Überwachung der Eisschilde auf kontinentaler Ebene. Die GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) und GRACE-FO-Missionen messen Veränderungen im Erdschwerefeld, das verwendet werden kann, um Veränderungen der Masse der Eisschilde zu bestimmen. Diese Missionen haben eine kontinuierliche Aufzeichnung des Massenverlustes aus der Antarktis seit 2002 zur Verfügung gestellt. Die ICESat- und ICESat-2-Missionen verwenden Laseraltimetrie, um Änderungen der Eisoberflächenhöhe zu messen und hochauflösende Daten über Veränderungen der Eisschilddicke bereitzustellen. Die Sentinel-1- und RADARSAT-2-Missionen liefern Radardaten, die verwendet werden können, um Eisflussgeschwindigkeiten und Erdungslinienpositionen zu verfolgen. Zusammen bilden diese Satellitenmissionen ein umfassendes Überwachungssystem.

Beobachtungen vor Ort

Feldbeobachtungen sind für die Kalibrierung von Satellitendaten und für das Verständnis der Prozesse, die das Verhalten von Eisschilden steuern, unerlässlich. Forscher setzen GPS-Empfänger auf der Eisoberfläche ein, um Eisströmungsgeschwindigkeiten und Verformungen zu messen. Eisdurchdringungsradar wird verwendet, um die Betttopographie und die inneren Schichten des Eisschildes abzubilden. Eiskerne werden gebohrt, um Proben von alten Eis- und Luftblasen zu entnehmen, was eine Aufzeichnung der vergangenen Klimabedingungen liefert. Ozeanographische Instrumente unter Eisunterwasser werden durch Bohrungen eingesetzt, um die Temperatur und den Salzgehalt von Ozeanwasser unter Eisschelfen zu messen. Diese Beobachtungen sind anspruchsvoll und teuer, liefern aber kritische Daten, die aus dem Weltraum nicht gewonnen werden können.

Numerische Modellierung

Numerische Modelle werden verwendet, um das Verhalten der Eisschilde zu simulieren und zukünftige Veränderungen zu projizieren. Diese Modelle beinhalten die Physik des Eisflusses, die Wechselwirkungen zwischen dem Eisschild und dem Ozean und die Auswirkungen des Klimaantriebs. Zu den modernsten Modellen gehören das Parallel Ice Sheet Model (PISM), das Ice Sheet System Model (ISSM) und das Community Ice Sheet Model (CISM). Diese Modelle werden verwendet, um die Wahrscheinlichkeit einer Instabilität der Meereseisschilde zu bewerten und die Bandbreite möglicher Meeresspiegelanstiegsbeiträge aus der Antarktis zu quantifizieren. Die Vorhersagen dieser Modelle sind mit erheblichen Unsicherheiten verbunden, insbesondere hinsichtlich des Zeitpunkts und der Größe des Eisschildeinbruchs. Diese Unsicherheiten zu reduzieren ist ein Hauptziel der Forschungsgemeinschaft.

Künftige Prognosen

Die Projektion des zukünftigen Verhaltens der antarktischen Eisschilde ist eine komplexe wissenschaftliche Herausforderung. Der Sechste Sachstandsbericht des IPCC liefert eine Reihe von Projektionen für den Beitrag der Antarktis zum Meeresspiegelanstieg bis 2100, von etwa 5 Zentimetern unter emissionsarmen Szenarien auf über 40 Zentimeter unter hochemissionsreichen Szenarien. Diese Projektionen beinhalten nicht das Potenzial für einen schnellen Zusammenbruch der Eisschilde, was wesentlich mehr hinzufügen könnte. Studien deuten darauf hin, dass die Antarktis bei einer Instabilität der Meereseisschilde über 1 Meter zum Meeresspiegelanstieg bis 2100 und mehrere Meter bis 2300 beitragen könnte.

Die langfristige Entwicklung der Eisschilde hängt von der Entwicklung der globalen Treibhausgasemissionen ab. Steigen die Emissionen weiter an, wird die Erwärmung der Atmosphäre und des Ozeans wahrscheinlich zu einem erhöhten Eisverlust aus der Antarktis führen. Werden die Emissionen stark reduziert, kann es möglich sein, den Rückzug der Eisschilde zu verlangsamen oder sogar zu stoppen. Einige Prozesse, wie der Rückzug der Erdungslinie in der Westantarktis, können jedoch bereits irreversibel sein. Die Entscheidungen der kommenden Jahrzehnte werden das Ausmaß der Eisschildschmelze und den damit verbundenen Anstieg des Meeresspiegels für die kommenden Jahrhunderte bestimmen.

Schlussfolgerung

Die Eisschilde der Antarktis sind die größten Eisflächen der Erde und spielen eine zentrale Rolle im globalen Klimasystem. Sie speichern große Mengen an Süßwasser, und ihr Schmelzen hat direkte Folgen für den Meeresspiegel, die Ozeanzirkulation und die Klimamuster. Die Eisschilde sind dynamische Systeme, die auf Temperaturänderungen, Meeresströmungen und atmosphärische Bedingungen reagieren. Jüngste Beobachtungen haben einen beschleunigten Eisverlust, insbesondere in der Westantarktis, ergeben, was Bedenken hinsichtlich des zukünftigen Anstiegs des Meeresspiegels aufkommen lässt. Überwachungs- und Forschungsbemühungen, einschließlich Satellitenmissionen, Feldbeobachtungen und numerischer Modellierung, liefern neue Einblicke in das Verhalten der Eisschilde. Es bestehen jedoch weiterhin erhebliche Unsicherheiten, insbesondere hinsichtlich des Potenzials eines schnellen Zusammenbruchs der Eisschilde. Die Zukunft der antarktischen Eisschilde ist eng mit der globalen Klimapolitik verbunden, so dass ihre Untersuchung eine Frage von großer Bedeutung für die Menschheit ist.